基于柔性分子對接的CTL表位預(yù)測方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代免疫學(xué)的發(fā)展，細胞毒性T淋巴細胞(CytotoxicTlymphocyte，CTL)在腫瘤、感染與自身免疫性疾病中發(fā)揮的重要作用越來越受到重視。如何有效地激發(fā)CTL介導(dǎo)的特異性細胞免疫應(yīng)答，發(fā)揮抗腫瘤、抗病毒效能，已經(jīng)成為當(dāng)今疫苗研制領(lǐng)域的一個重要課題。既往研究發(fā)現(xiàn)，引起CTL免疫應(yīng)答反應(yīng)的，并非完整的腫瘤或病毒抗原分子，而是抗原來源的特異性CTL表位(Epitope)。因此，從蛋白抗原的完整序列中高效、準(zhǔn)確地預(yù)測出CTL表位并

2、加以鑒定，是基于表位之多肽疫苗分子設(shè)計(Epitopebasedvaccinedesign，EBVD)的前提，也是發(fā)展新型預(yù)防性和保護性抗腫瘤、抗胞內(nèi)感染疫苗的關(guān)鍵。 病毒或腫瘤抗原蛋白在胞內(nèi)經(jīng)蛋白酶體(Proteasome)降解成為8～10個氨基酸長度的多肽片段，進而與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的MHCⅠ類分子結(jié)合形成“多肽-MHC復(fù)合物”(peptide-MHCcomplex，pMHC)，并最終將上述復(fù)合物結(jié)構(gòu)遞呈到細胞表面供初始型CD8+

3、T淋巴細胞識別、活化。在上述過程中，蛋白酶體識別切割抗原、表位多肽與MHCⅠ類分子結(jié)合，都有其特定的序列特征。根據(jù)這一信息，免疫學(xué)家和計算生物學(xué)家通過提出新的算法和編寫相應(yīng)程序，發(fā)展了一些CTL表位預(yù)測的方法，歸納起來可分為2大類：①基于表位多肽與MHCⅠ類分子結(jié)合特征的預(yù)測方案；②基于抗原加工處理過程的CTL表位預(yù)測方案。前者是一類目前較為成熟的CTL表位預(yù)測方法，主要包括結(jié)合基序法(Bindingmotifs)、矩陣法(Matric

4、es)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificialneuralnetworks，ANNs)和基于結(jié)構(gòu)(Structure-based)的表位預(yù)測算法；后者主要針對抗原遞呈中所涉及的細胞器，目前集中在蛋白酶體和轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白(Transporterassociatedwithantigenprocessing，TAP)上。 上述這些預(yù)測方法，盡管取得了一定的成功，但卻明顯存在一些不足：①綜觀兩類預(yù)測方案，不難發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)方法都是以抗原蛋白的

5、一級序列為出發(fā)點發(fā)展預(yù)測算法。事實上，表位多肽的氨基酸側(cè)鏈與MHCⅠ類分子肽結(jié)合槽殘基間存在廣泛而復(fù)雜的相互作用，這些作用力在現(xiàn)有的預(yù)測方法中未能被充分考慮，直接導(dǎo)致預(yù)測精度不高，缺乏敏感性和特異性。如何利用肽-MHC復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)特征發(fā)展新型預(yù)測方法，是CTL表位預(yù)測方法學(xué)研究中的一個難點；②對天然表位多肽進行合理修飾，使改造后的表位多肽(Alteredpeptideligands，APLs)上調(diào)或下調(diào)抗原特異性T細胞應(yīng)答，已經(jīng)成為

6、腫瘤、感染性疾病極富應(yīng)用前景的治療手段。然而目前的CTL表位預(yù)測方法無法準(zhǔn)確地預(yù)測和計算改造前后的表位多肽與MHCⅠ類分子間親和力的變化。 由此可見，迫切需要探索一種更為有效的CTL表位預(yù)測方法以克服現(xiàn)有方案存在的不足，以適應(yīng)現(xiàn)代免疫學(xué)和疫苗學(xué)發(fā)展的需要。隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，我們所關(guān)注的多肽-MHC復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)得以大量解析；另一方面，計算機科學(xué)的飛速發(fā)展也促使分子模擬技術(shù)的理論和方法不斷成熟和完善。這使得我們從多肽-MHC復(fù)

7、合物的三維結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，在高性能計算機平臺上進行分子模建，發(fā)展新型CTL表位預(yù)測方法成為可能。 為此，我們從CTL表位數(shù)據(jù)庫中選取了40個HLA-A*0201限制性CTL表位多肽，其中30個組成訓(xùn)練集，10個作為外部預(yù)測集，分別與MHCⅠ類分子進行柔性分子對接(Softdocking)。分子對接是研究小分子配體與受體生物大分子間相互作用規(guī)律，預(yù)測其結(jié)合模式和親和力的一種有效手段。對接的目的是為了得到可靠、合理的表位多肽/HLA-

8、A*0201分子結(jié)合構(gòu)象。對接過程中，按照幾何互補、能量互補以及化學(xué)環(huán)境互補的原則來實時評價表位多肽分子與MHCⅠ類分子間相互作用的好壞，并找到二者的最佳結(jié)合模式。對接產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，再以結(jié)合自由能的經(jīng)驗打分函數(shù)評分，定量估算表位多肽與MHCⅠ類分子親和力的大小。運用多元線性回歸方法建立氫鍵相互作用、范德華相互作用、溶劑化效應(yīng)等分子間相互作用力與表位肽/HLA-A*0201分子親和力之間的關(guān)系模型，進一步采用留一法交互檢驗，并對外部樣本集中

9、CTL表位與HLA-A*0201分子的親和力進行預(yù)測和估算。結(jié)果表明：我們建立的CTL表位親和力預(yù)測模型具有較好的相關(guān)性以及對外部樣本的預(yù)測能力，可較準(zhǔn)確地估算CTL表位多肽與HLA-A*0201分子間親和力的大小，從而達到預(yù)測高親和力CTL表位的目的。預(yù)測算法建立后，我們在此基礎(chǔ)上進一步利用VisualBasic語言編程，開發(fā)了CTL表位預(yù)測軟件包CTLPro。 另一方面，我們應(yīng)用分子對接技術(shù)研究APLs在表位改造前后，與MH

10、CⅠ類分子親和力的變化情況。表位改造有多種策略，這里我們將低親和力表位肽次級錨基P1位點(多肽N末端第一位殘基)以酪氨酸替換后構(gòu)建突變體。將改造前、后的多肽分別與MHC分子對接，通過分析對接所得復(fù)合物構(gòu)象以及相應(yīng)能量項計算，發(fā)現(xiàn)：突變體與MHC分子間存在更強的氫鍵和疏水相互作用，其N末端與組成肽結(jié)合槽口袋A的殘基Tyr7、Tyr171和Tyr159之間形成穩(wěn)定的氫鍵作用網(wǎng)絡(luò)。另外，突變體P1位酪氨酸上的苯環(huán)可與多肽結(jié)合槽Trp167上的

11、苯環(huán)發(fā)生π-π堆積作用，導(dǎo)致改造后表位多肽與肽結(jié)合槽嵌合更加緊密，與MHC分子間的親和力較改造前提高，與文獻報道的實驗結(jié)果一致。本研究建立的肽-MHC復(fù)合物對接模型，可通過計算機平臺判斷APLs與MHCⅠ類分子間親和力的變化，為表位改造中選擇多肽分子的哪一位點以及用何種性質(zhì)氨基酸進行替換提供理論支持，指導(dǎo)后續(xù)實驗，減少肽合成與功能實驗的工作量。 總之，我們從肽-MHC復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，應(yīng)用柔性分子對接技術(shù)尋找合理的復(fù)合物構(gòu)型